A NNALI DELLA
S CUOLA N ORMALE S UPERIORE DI P ISA Classe di Scienze
D IONISIO T RISCARI
Sulle singolarità delle frontiere orientate di misura minima
Annali della Scuola Normale Superiore di Pisa, Classe di Scienze 3
esérie, tome 17, n
o4 (1963), p. 349-371
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ORIENTATE DI MISURA MINIMA (1)
Nota di DIONISIO TRISCARI
(Messina)
Nella memoria
[5]
E. DeGiorgi
ha iniziato lo studio deiproblemi
diregolarizzazione
delle frontiere orientate di areaminima,
ed ha stabilito cheuna
parte
della frontiera(la frontiera ridotta)
è unaipersuperficie
localmenteregolare ; (cfr. [5],
Teor.VI,
pag.56).
In
questo
lavoro vieneripresa
talericerca,
dando alcune condizioni necessarie per 1’esistenza di eventualipunti singolari.
Il risultatoprincipale
è il Teorema XVIII in cui si prova che l’esistenza di
punti singolari
è le-gata
aquella
di conisingolari
di misura minima.1. - Per comodità del lettore vengono
qui riportati
teoremi e defini-zioni di
[4], [5]
cui si fa riferimento nellapresente
nota e sono stabilite alcune notazioni che sarannoseguite
in tutto il resto del lavoro.Per
ogni
interopositivo n
sarà indicato con Rn lospazio
euclideo n-di-mensionale ;
inparticolare
R = R1 denoterà la retta reale. Penseremo sem-pre lo
spazio
Rn dotato di struttura dispazio
vettoriale :precisamente
datidue
punti
x =(Xi’
..., =(Yl
... ,Yn)
porremo :dati un
punto X=(X1’
...,xn)
ed un numero reale a porremo :Pervenuto alla Redazione il 30 Novembre 1963.
(í) Lavoro eseguito nell’ambito del gruppo di ricerca n. 9 del Comitato Nazionale per la Matematica del C.N.R., nell’anno accademico 1962-63.
dati due
punti,
i indicheremo il loroprodotto
scalare con il simbolo :
porremo infine :
Data una funzione
f (x)
derivabile in unaperto
A porremo :date due
funzioni f,
g definite in Rn indicheremo il loroprodotto
di compo- sizione con il simbolo :Conformemente alle convenzioni usate in
[2], [3]
converremoche, ogni qualvolta
siparlerà
di insiemi contenuti in Rn e di funzioni ividefinite,
intenderemo riferirci sempre ad insiemi di Borel ed a funzioni di Baire.
Per
ogni
insieme E c Rn indicheremo con7E
la sua frontiera e con.E
=(E U
la suachiusura ;
perogni punto
x E Rn e perogni
numeropositivo
y indicheremorispettivamente
con i simboli :l’ipersfera aperta
el’ipersfera
chiusa di centro x eraggio e .
Se x coincidecon
l’origine
dellecoordinate,
inluogo
diA~ (x), °e (x),
scriveremopiù
bre-vemente
Ae,
9°e.
1Detta mis E la misura secondo
Lebesgue
delgenerico
insieme E CRn,
5indicheremo con il simbolo :
la misura
dell’ipersfera
di R’~ diraggio
unitario.Dato un certo numero di relazioni a,
fl,
y, .., indicheremo con il simbolo :l’insieme
degli
elementi x che verificanoqueste relazioni ;
dati un insieme Eed una funzione
f (x)
definita inE,
indicheremo con il simbolo :l’immagine
di .E mediantef,
cioè l’insieme descritto daf (,~)
al variare di xin E.
Per
ogni
insieme E C Rn e perogni
intero k> 0,
indicheremo con il simboloHk (.E )
la misura k-dimensionale di Hausdorff dell’insiemeE,
che èdata come è noto
(cfr. [4~~
n°2,
n°3)
dalla formula :La misura di Hausdorff è una funzione d’insieme
completamente
additiva emai
negativa (eventualmente infinita)
eper k
= n coincide con l’ordinaria misura diLebesgue.
Dalla
(1.1)
si vedepoi
subito che se per un certo k risulta finita la misuragk (E),
allora :Si verifica altres che per varietà sufficientemente
regolari
la misura diHausdorff coincide con la misura elementarmente
definita ; precisamente
se.T è un intervallo chiuso di
.Rk ~ (y)~ ... ~ fn (y)
sono n funzioni definite in Tivi uniformemente
Lipschitziane (ipotesi
banalmente verificataquando le f
sono continue con le derivate
parziali prime)
e lacorrispondenza f
che algenerico punto
y E T associa ilpunto f (y)
=( f1 (y),
...,fn (y))
E Rn èbiunivoca,
allora l’insieme
_E= f (T)
ha una misura di Hausdorff fornita dalla:ove
gli
elementi della matricequadrata 1B
sono dati dalla :Si definisce
poi
la misurago (E~
nel modoseguente :
se E è formatoda un numero finito di
punti, Ho (E)
coincide con tale numero ; altrimenti è :Data una funzione vettoriale d’insieme :
definita per
ogni
insieme di Borel diRn ,
@completamente additiva, limitata,
la sua variazione totale :
è pure una funzione di insieme
completamente
additiva elimitata ;
porremoper
convenzione, per
c Rn edf (x)
definita in E :Infine,
perogni
insieme E CRn , indicheremo
con ilsimbolo (x, E)
la funzione caratteristica di
E,
cioè la funzione che vale 1 in E e vale 0in Rn - E.
2. - Richiamiamo ora, con lievi ritocchi
formali,
alcune nozioni conte- nute in[2], [3], [7].
Sia E
C Rn
e sia ~2 ;
perogni
numeropositivo A poniamo :
esiste
allora,
finito oinfinito,
il limite :detto
perimetro
di E.Vale il
seguente (2)
TEOREMA I. Condizione necessaria e
sufficiente perchè P (.E) sia finito
èche esista una
funzione
vettoriale di insiemecompletamente
additiva e limitata«
(B), de, finita
perogni
insieme B CRn, verificante
leformule
di Gauss-Green(2) Cfr.
[2],
Teoremi II e IV ;[4],
pag. 6, Teor. I.generalizzate :
per
ogni funzione
g(x) de, finita
inRn,
@ ivi continua insieme alle derivate par- ziali_prime
ed asupporto compatto.
In tal caso risulta :La condizione
(2.3) può esprimersi
dicendo che la misura vettoriale a è ilgradiente,
nel senso della teoria delledistribuzioni, di Q (x, .E) ; esprimeremo questo
fattoponendo
per convenzione :Il
perimetro
P(E)
è nna funzione semicontinuarispetto
alla convergenza inmedia ; precisamente
vale ilseguente (3)
TEOREMA 11. Sia
Eh
una successione di insiemi diRh ,
9 .E un insieme diRn
verificate
la :(3) Cfr.
[2],
Teorema VII ;(4),
pag. 7, Teor. II.Allora si ha :
Fra le successioni
approssimanti
un insieme E hanno unparticolare
inte-resse
quelle
costituite da dominipoligonali.
Precisamente,
detto àominiopoligonale ogni
insieme E C Rn che sia lachiusura di un
aperto
e la cui frontiera7E
sia contenuta nell’unione diun numero finito di
iperpiani
diRn,
vale ilseguente
TEOREMA III. Se E ha
perimetro finito,
esiste una successione di dominipoligonali veri, ficanti
le condizioni :Gli insiemi
approssimabili
in media mediante dominipoligonali
aventi pe-rimetro limitato sono stati introdotti da R.
Caccioppoli
in[1 ] ;
taliinsiemi,
per i teoremi II e
III,
sono tutti e soligli
insiemi diperimetro finito,
chesono chiamati
perciò
insiemi diCaccioppoli.
Per le
applicazioni
al calcolo dellevariazioni,
oltre al teorema di se-micontinuità II interessa il
seguente
teorema dicompattezza (4) :
TEOREMA IV. Dati un insieme limitato L C
Rn,
urc numeroed una successione
(Eh
di insiemiverificante
le condizioni :esistono un insieme .E C Rn ed una successione subordinata alla succes-
sione
(-Eh),
tali che risulti :Nello studio delle
proprietà
locali delle frontiere di insiemi diCacciop- poli
interessa ilseguente (5)
TEOREMA V. Sia E C Rn un insieme di
Caccioppoli
esia ~
un_punto
di R.Allora,
perogni
numero_positivo
e, l’insieme E flAe (~)
è un insieme di(4) Cfr.
[3],
pago 98, Teor I;[4],
pag. 8, Teor. IV, (5) Cfr.[3],
pag. 100, Lemma III ; l4]. pag. 9 Teor. V.Caccioppoli e
si hainoltre,
perogni
B C Rn e perquasi
tutti i numeri po-sitivi p :
ove v
(x)
è il versore della normale interna a(~).
Notiamo che dalla
(2.11)
discende immediatamente :Alla
(2.11) può
darsi la, formapiù suggestiva :
Con
procedimento
del tuttoanalogo
aquello seguito
per provare le(2.11), (2.12)
si provano le :Dal Teorema V segue pure
facilmente, (cfr.
DeGiorgi [5], (57),
pag.16) :
per
quasi ogni
~O>
0.Dato un insieme di
Caccioppoli
.E C diremofrontiera
ridotta di.E ed indicheremo con il simbolo l’insieme dei
punti ~
che verificanole condizioni
seguenti :
1)
perogni
numeropositivo p
risulta:2)
esiste determinato il limite :3)
risulta :Tra le
proprietà
della frontiera ridotta ricordiamoquelle
fornite daiseguenti
teoremi(6) :
TEOREMA VI. Per
ogni
insieme diCaccioppoli
.E C Rn eogni punto
~
E9~*
.E risulta :TEOREMA VII. Per
ogni
insieme diCaccioppoli
.E e perogni
insiemeB contenuti in
Rn,
risulta :ove y
(x)
è data della(2.18).
(6) Cfr
[4],
pag. 11, Teor. VI, VII.Per evitare di scrivere il limite
(2.18)
egli analoghi
limiti che ci dan-no le
componenti
v1(x),
... , vn,(x)
del vettore v(x),
porremo per convenzione :per
Tale convenzione è
giustificata
osservando che dalle(2.22)
seguesabito,
per
ogni
B e perogni
funzionef (x)
tale chegli integrali seguenti
abbia-no senso:
Notiamo inoltre che dalle
(2.21)
si deduce subito la :3. - Diamo ora alcune definizioni e risultati relativi alle frontiere orientate di misura minima.
Conservando le notazioni introdotte in
[4],
consideriamo due insiemiE,
L dellospazio
Rn(con u h 2) ; supponiamo
che .E sia un insieme diCaccioppoli,
cioè abbiaperimetro P (.E ) finito,
ed introduciamo tre funzioni dellacoppia E,
L di cui faremo uso nelseguito.
Poniamo per definizione :
Diremo che l’insieme .E ha
frontiera
orientata di misura minima su Lse risulta :
cioè :
Dalle
(3.1 )~ (3.3)
segueimmediatamente,
pere
quindi,
essendo evidentemente :se un insieme ha frontiera orientata di misura minima su .L’ ciò accade anche per
ogni
L CL’.Dal teorema
II,
n° 3 di[4]
si deduce subitoche,
se l’insieme L èchiuso,
risulta :Un teorema di esistenza di insiemi aventi frontiera orientata di mis ura minima è il
seguente :
TEOREMA VIII. Dati in Rn un insieme di
Caccioppoli
E ed un insiemelimitato L esiste un insieme di
Caccioppoli
Mverificante
le condizioni :l’insieme M ha
frontiera
orientata di misura minimia su L.I
seguenti
teoremipermettono
di caratterizzare ilcomportamento
dellefrontiere di area minima nell’intorno di un loro
punto.
TEOREMA IX
(7).
Dati in R’n due insiemi diCaccioppoli E,
F si perquasi
tutti i numeri_positivi
o :(~) Cfr.
[5],
pag. 5, Teor. I.TEOREMA X.
(8)
.Dato un insieme diCaccioppoli
.E C Rn esiste un insie-me N C R di misura lineare
nulla,
taleche,
se pt e, r sono tre numeri veri-ficanti
le :si ha :
TEOREMA XI.
(9)
Sia E un insieme diCaccioppoli
di R?2 e siano r, p, (2, q,quattro
numeriveri, ficanti
le :risulta allora :
TEOREMA XII.
(1°)
Sia E un insieme diCaccioppoli
ed L unaperto
diRn,
7 tali che risulti :(8) cfr.
[5],
pag. 14, Teor. V.(9) Cfr.
[5J,
pag. 15, Teor VI.(1°) Cfr.
[5],
pag. 17, Teor. VII.Sia e
unpunto
interno ad L.Allora,
perogni
numeropositivo
e minore della distanzadi ~
da Rn -L,
risulta :se
poi
oltre alla(3.13)
vale la :TEOREMA XIII.
(12)
Sia E un insieme diCaccioppoli
diRn, (con n > 2),
o un numero
positivo, $
unpunto
diRn ;
sianosoddisfatte
le :ove o
(n)
è una costantedipendente
solo dalla dimensione n dellospazio.
Risulta allora :
ed il vettore :
è una
funzione
continua in :4. - Frontiera essenziale. Dato un insieme .E C Rn diremo che un
punto
~
E Rnappartiene
alla frontiera essenziale diE,
se vale laseguente
relazione :Osserviamo che nwn è la misura [n - 1)-dimensionale della frontiera della sfera unitaria di Bn .
(12) Cfr.
[5],
pag. 54, Teor. V.Indicheremo con
%
.E la frontiera essenziale di E.Vale il
seguente
TEOREMA XIV. Se .E C Rn è un insieme di
Caccioppoli,
risulta : tDIMOSTRAZIONE. Cominciamo con il provare che :
Sia x un
punto
di Rn nonappartenente
ad9g E;
esisterà allora un nu-mero p che verifica una delle due condizioni :
Nell’ipotesi (4.4)
perogni funzione g (x)
continua con le derivate par- zialiprime
in Rn ed il cuisupporto
sia contenuto inAe
risulta :e
quindi
per l’arbitrarietàdi g (x),
avremo :Ricordando la definizione di frontiera ridotta
(’3)
segne immediatamente la(4.3).
In manieraanaloga
siprocede nell’ipotesi (4.5).
Proviamo ora che :
Dato un
punto
x di Rn nonappartenente
adF*
Epossiamo
trovare un nu-mero e tale che :
(13) t;fr. (2.17), (2.18), (2.19).
.5. Annali della Scuola Norm. Sup. - Pisa.
allora,
perogni g (x)
continua in R’~ con le sue derivateprime
ed a sup-porto
contenuto inAe (x)
avremo, ricordando le formule di Gauss-Green nella forma(2.24) :
La
(4.10)
ci assicura.E)
è inquasi
ovunqueuguale
ad unacostante e
quindi
il teorema è dimostrato.5. - Traslazione e dilatazione. Dato un vettore a E Rn indicheremo con ra la trasformazione
(traslazione)
che algenerico punto
x E Rn associa ilpunto :
Dalle definizioni contenute in
[4], [5]
segue immediatamente che se E haperimetro finito,
ha pureperimetro
finito l’insieme 7:a E.Si verificano subito le relazioni :
Dato un numero e
>
0 indicheremocon b,
la trasfomazione(dilatazione)
che al
generico punto
associa il
punto :
Si verificano subito le relazioni :
6. - Consideriamo un insieme di
Caccioppoli
Ec Rn ;
diremo che unpunto
x E9g
E è unpunto singolare
per la frontiera orientata di E se :Dalle
(5.8), (5.9)
segue che, se x èpunto singolare
per la frontiera orientata diE,
ra x èpunto singolare
per la frontiera orientata di ra E.Vogliamo
ora dare delle condizioni necessarieaffinchè,
dato un insiemedi
Caccioppoli
E C Rn ed unaperto
A cRn,
l’intersezione En A contenga punti singolari.
Possiamo supporre che uno di talipunti
coincida con l’ori-gine, poichè
in tal casopossiamo
sempre ricondurci mediante una trasla- zione.Cominciamo con il provare i
seguenti
lemmi.LEMMA I. Dato un insieme di
Caccioppoli
.E C R’n perogni
e risulta :DIMOSTRAZIONE. Per il Teor.
V,
esiste una successione di numeri po- sitivi(gh)
verificante le :Dalle
(6.3), (6.4)
e dal Teor.Il,
segue la(6.2).
c.v.d.LEMMA Il. Sia E un insieme di
Caccioppoli,
A unaperto
di Rn conte- nentel’origine
e sia :Sia una successione di numeri
positivi verificaute
la condizione :Risulta
allora,
perogni
DIMUSTROZIONE. Cominciamo con l’osservare che per
l’ipotesi
e per la
(5.13)
abbiamo :Essendo ed essendo
l’origine
interna adA, per h
abbastanzagrande
avremo :(14) Dire che una proprietà è verificata per h abbastanza grande significa che esiste
un intero v tale che la proprietà è verificata per ogni h > v.
Dalla
(6.9)
e dalla(6.8)
e tenendo conto della(3.14)
del Teor. XII si ha :e
quindi
per il Lemma I segue :da cui la
(6.7).
c.v.d.Dal Lemma
IL,
per il Teor.~v,
segueLEMMA. II1. Sia _E un insieme di
Cacccioppoli
di A unaperto
di Rncontenente
l’origine
e sia :Sia una successione di numeri
positivi verificante
la condizione :Sia z
~> 0 ;
esiste allora una successioneJ
subordinata alla successioneJ
tale che la successione di insiemi
converga in media
(cioè
convergano inLi
lerispettive
funzionicaratteristiche).
7. -
Vogliamo
ora studiare leproprietà
del limite della successione(6.12).
A tale scopo supporremo, in tutti i teoremiseguenti,
che E sia uninsieme di
Caccioppoli,
A unaperto
diRn, 1 Q , 1
una successione di numeripositivi
verificante la condizione :sia inoltre :
Esista il limite L della successione cioè si abbia :
Snpporremo
inoltre chel’origine
0 dellospazio
Rn verifichi la condizione :Proviamo ora i
seguenti
teoremi.TEOREMA XV. _Dalla successione
può
estrarsi una successione su-bordinata tale
che,
perquasi
tutti i numeripositiroi
t T risulti :DIMOSTRAZIONE, Per le
(7.3) può
trovarsi una successione subordinata19’)
verificante le :Integrando
per serie(la
cosa èpossibile
trattandosi di termini non nega-tivi)
siha : (15)
(15) Per funzioni reali estese non negative f (x), l’integrale dx è definito dalle :
se mis ,
se mis
ove si è posto :
Dalla
(7.9)
segue :e
quindi
perquasi
tutti i numeri tz,
Ne segue immediatamente la
(7.5).
Inoltre,
dalla(7.5)
segue pure per il Teor. IX:Dalle
(7.3)
e dal Teorema di semicontinuità seguepoi :
Tenendo conto della
(2.12),
si trova :D’altra
parte,
per le(7.1), (7.4), (7.2),
si ha :Confrontando le
(7.14), (7.12), (7.15)
e ricordando le(3.4)
e(3.5),
si ha:Confrontando infine le
(7.12), (7.~.5)~ (7.16)
con le(3.4)
e(3.5)
si ottie-ne il teorema. c.v.d.
TEOREMA XVI. Nelle
ipotesi
ercunciate all’inizio del n.7, l’origine
0 dello
spazio
Rn èpunto singolare
dellafrontiera
orientata diL,
9 cioé :DIMOSTRAZIONE. Per le
(3.16)
e per la(7.4),
se è verificata la condizione :deve essere :
ove a
(n)
è una costante chedipende
solo dalla dimensione dellospazio.
Dato ora un numero
positivo t --- t,
per le(7.1), (7.2)
avremo:per h
abbastanzagrande.
Dalle
(7.19)
si deduceallora,
sempreper h
abbastanzagrande :
Dalla
(7.21),
ricordando le(7.5), (7.7)
del Teorema XV e la formula(2.16),
si ricava :per
quasi ogni t positivo
r.Dalle
(7.22)
segue subito la(7.17); infatti,
sel’origine
nonapparte-
nesse ad
9e E,
avremmo :se
l’origine appartenesse
ad9-*
E avremmo :c.v.d.
TEOREMA XVII. Nelle
ipotesi già
enunciate all’inizio del nO7,
esiste uninsieme N C R di misura lineare nulla tale
che, nell’ipotesi :
sia :
DIMOSTRAZIONE. Detto t un numero
positivo
tale che sia verificata la :e
posto,
perper il Teor.
XI,
avremoche g (z)
è una funzione non decrescente equindi
esiste il
Ricordando la
(7.7)
e la(5.15)
si trova :per
quasi
tutti i numeripositivi t
T.Dalla
(7.30)
e dal Teor. X segue la(7.26)
che dimostra il teorema. c.v,d.La
(7.26)
ci assicura che Lè,
a meno di insiemi di misuranulla,
l’in-tersezione di un cono con vertice
nell’origine
e di una sfera di centro nel-l’origine ;
infatti .L èequivalente
all’insieme L* ottenuto fissando un numeroLo che verifica le
(7.25)
eponendo :
per
per
Possiamo
perciò
concludere con ilseguente :
TEOREMA XVIII. rSe E è un insieme di
Caccioppoli
diRn ,
9 A è unaperto, $
è unpunto
diR",
e sonoverificate
le :allora esiste un insieme
L*,
intersezione di un cono con il verticenell’origine
e di una
sfera
di centronell’origi-rce
e diraggio positivo
z, taleche,
per t z risulti :ed inoltre
l’origine
siapunto singolare
per lafrontiera
orientata diL*,
cioè :In successivi lavori mostreremo come
questo
teoremapermette
di esclu-dere,
in molti casiinteressanti,
la esistenza dipunti singolari
di frontiereorientate di misura minima.
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